CMIP6高分辨率模式中西北太平洋热带气旋未来活动时空变化特征

Future Changes of the Western North Pacific Tropical Cyclone Characteristics: Results from a CMIP6 High-Resolution Model

摘要: 本文比较了MRI-AGCM3-2-H模式对热带气旋(Tropical Cyclones, TC)和强台风(Severe Typhoon, STY)的未来变化趋势及相关的大尺度环流因素，结果表明：未来TC的年际变化呈现出显著减少的趋势，尤其是西北太平洋(WNP)东部TC的生成概率显著减少，未来STY的变化也是显著减少的长期趋势。通过DGPI指数对TC的减少进行诊断分析，贡献最大的环境因素是500 hPa垂直速度。通风效应的加强是STY减少的原因，这主要是由热力学参数的显著增强引起的。与TC生成和发展相关的季风槽减弱，副热带高压增强，大气环流系统向不利于对流活动的方向发展，因此限制了TC的生成和加强。

Abstract: This study compared the future trends of Tropical Cyclones (TCs) and Severe Typhoons (STYs) in the MRI-AGCM3-2-H model and their associated large scale environmental factors. The results indicate a significant decrease in the interannual variability of TC, particularly in the probability of TC generation in the eastern Western North Pacific (WNP). Similarly, there is a significant decreasing trend in STY. Diagnostic analysis using the DGPI index revealed that the most significant environmental factor contributing to the decrease in TC is the 500 hPa vertical velocity. The strengthening of the ventilation effect is attributed to the reduction in STY, primarily due to the significant enhancement of thermodynamic parameters. The weakening of the monsoon trough and the strengthening of the subtropical high-pressure system, associated with changes in atmospheric circulation unfavorable for convective activity, limit the generation and intensification of TC.

1. 引言

热带气旋(Tropical Cyclone, TC)是在热带或者副热带洋面上生成的具有强烈破坏性的涡旋性天气系统，强度越强的TC致灾可能性也更大，因此对达到一定强度标准的强台风(Severe Tropical Cyclone, STY)的未来变化需要特别关注。

政府间气候变化专业委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第六次评估报告(AR6)指出，未来TC生成频数(Tropical Cyclone Genesis Frequency, TCGF)变化的气候趋势预估有较大不确定性[1]。Webster等人在2005年首次报告了1970年至2004年期间全球STY数量及其所占比例的增长趋势，WNP是增幅最大的区域之一[2]。Klotzbach和Landsea的研究认为2004年以后观测数据的研究，发现无法检测到STY数量或百分比的显著变化，相反，全球范围内的累积气旋能量存在巨大而显著的下降趋势[3]。相关研究结论的不一致性可能是由于TC强度的数据对观测要求较高，而可靠卫星数据集是从上世纪70年代以后建立的，因此TC强度对气候变化的响应和其未来的预估结果仍存在不确定性[4]。

由于与TC生成和发展相关的不同环境因素的分布变化受到环流系统的影响，所以与TC生成相关的动力环境因素的变化是低层、中层和高层环流系统的共同作用的结果，已有研究指出关键的环流系统包括850 hPa季风槽和500 hPa副热带高压等[5] [6] [7]。其中，由于季风槽附近有明显强对流活动中心，所以季风槽的强度和位置分别影响TC生成频数和位置。另外，副热带高压的变化是影响WNP海域TCGF年际变率的重要系统，且季风槽和副热带高压二者的强弱与位置关系的变化是密切相关的。因此，未来季风槽和副热带高压的强度和位置的变化会显著影响TC生成频数和位置。

第六次国际耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6, CMIP6)中的高分辨率模式比较计划(High Resolution Model Intercomparison Project, HighResMIP)对TC的活动模拟进行了显著改善。但对于STY来说，模拟能力差异仍较大。将CMIP6的高分辨率的耦合和大气模式模拟的TC 10 m风速数据进行比较，发现MRI-AGCM3-2-H的风速概率密度分布最贴近观测数据，能更好的模拟出STY [8]。一些使用全球气候模式针对未来TC强度的预测，表现出TC生成频数降低，STY比例增加的趋势[9]。但STY的未来变化趋势不确定性很高，变化趋势对模式分辨率、TC检测算法和试验类型敏感，因此各模式中的预估趋势存在差异[10]，需要更多相关研究进行补充。

综上所述，本研究选择MRI-AGCM3-2-H模式输出数据，对TC和STY的未来趋势进行分析，并对造成TC和STY变化的大尺度环流系统进行分析。

2. 数据与方法

2.1. MRI-AGCM3-2-H模式及数据介绍

MRI-AGCM3-2-H模式是由日本气象厅(JMA)和气象研究所(MRI)联合开发的大气模式，试验类型为high resSST-present和high resSST-future (后文中简称为历史试验和未来试验)，未来试验对应的排放情景为共享社会经济途径5~8.5 (Shared Socioeconomic Pathway 5-8.5, SSP585)。该模式具有60公里的水平网格间距和60层，最高为1 hPa，输出数据包含海平面气压、温度、风场、位势高度和相对湿度等与TC生成和发展相关的气象要素。

本研究中TC路径由TempestExtremes算法检测筛选[11]，具体筛选条件和步骤如下：

1) 确定候选点：通过在海平面压力(SLP)场中寻找局部极小值来确定候选点。如果在该候选点的6˚圆距内存在更强的SLP极小值，则删除该候选点。

2) 筛选出具有SLP闭合轮廓的候选点：在候选点周围的5.5˚范围内，要求SLP至少增加2 hPa。

3) 筛选出具有暖心结构的候选点：在300~500 hPa位势厚度场上，候选点周围的1˚范围内，要求位势厚度在6.5˚圆距内至少减少6位势米。

4) 拼接候选点：检测出的TC必须具有至少60 h的生命史(不一定连续)，同一条路径下，间断时间不得长于18 h，否则将记录为两条轨迹。

以此得到MRI-AGCM3-2-H模式中的TC路径数据集。

2.2. 潜在生成指数

本文在诊断TC生成条件式采用了提出了动力潜在生成指数(Dynamic Genesis Potential Index, DGPI)指数[12]，计算如公式(2-1)所示：

$DGPI={\left(2+0.1V_S\right)}^{-1.7}{\left(5.5-\frac{\partial u}{\partial y}{10}^5\right)}^{2.3}{\left(5-20\omega \right)}^{3.3}\times {\left(5.5+\left|{10}^5\eta \right|\right)}^{2.4}{e}^{-11.8}-1$ (2-1)

其中，$V_S$ 是200~850 hPa的垂直风切变，$\frac{\partial u}{\partial y}$ 是500 hPa纬向风的经向梯度，$\omega$ 是500 hPa的垂直速度，$\eta$ 是850 hPa绝对涡度。

垂直风切变$V_S$ 的计算如公式(2-2)所示：

$V_S=\sqrt{{\left(u_{850}-u_{200}\right)}^2+{\left(v_{850}-v_{200}\right)}^2}$ (2-2)

其中$u_{850}$ 和$u_{200}$ 分别是850 hPa和200 hPa纬向风，$v_{850}$ 和$v_{200}$ 分别是850 hPa和200 hPa经向风。

2.3. 通风指数

本文在诊断TC强度变化采用的是通风指数Λ [13]，定义如公式(2-3)所示：

$\Lambda =\frac{V_{\text{S}}{\chi }_m}{MPI}$ (2-3)

其中，$V_{\text{S}}$ 是200~850 hPa的垂直风切变，${\chi }_m$ 是热力学参数，MPI是TC最大潜在强度。热力学参数的计算如公式(2-4)所示：

${\chi }_m=\frac{s_m^{\ast }-s_m}{s_0^{*}-s_b}$ (2-4)

${\chi }_m$ 的分母项为海表面饱和熵与大气边界层底层熵的差值，代表了海洋–大气界面的热力不平衡。分子项在简化后为对流层中层的熵赤字，代表了对流层中层的热力情况。

对于熵赤字计算使用了假绝热熵[14]，如公式(2-5)所示：

$s=c_p\log \left(T\right)-R_d\log \left(p_d\right)+\frac{L_{vo}{r}_v}{T}-R_v{r}_v\log \left(H\right)$ (2-5)

$c_p$ 是干燥空气在恒压下的比热，T是温度，$R_d$ 是干燥空气的气体常数，$p_d$ 是干燥空气的分压，$L_{vo}$ 是汽化潜热，$r_v$ 是水蒸气混合比，$R_v$ 是水蒸气的气体常数，H是相对湿度。并且，将$L_{vo}$ 设置为2.555 × 10⁶ J/kg以弥补对水蒸气熵的忽视。

TC最大潜在强度的计算如公式(2-6)所示：

$MPI=\frac{C_k}{C_d}\frac{T_s-T_0}{T_0}\left(h_0^{\ast }-h^{*}\right)$ (2-6)

其中$C_k$ 和$C_d$ 表示焓交换系数和拖曳系数，$T_s$ 是海表温度，$T_0$ 为流出层温度，$h_0^{\ast }$ 是饱和湿空气从海平面上升时具有的对流有效位能，$h^{\ast }$ 是边界层空气上升时具有的有效对流位能。

3. 未来西北太平洋TC频数的长期趋势及原因

3.1. 未来TC频数的长期趋势

Figure 1. (a) Interannual variability, (b) Spatial distribution, and (c) Spatial probability distribution of TCGF in the peak season (July-October) simulated by the MRI-AGCM3-2-H over the WNP (Dashed lines indicate long-term trends in (a), contour lines represent the climatological mean of high resSST-present experiments, shading indicates changes, and dots indicate significance at the 95% confidence level in (b) (c)).

图1. MRI-AGCM3-2-H模式中模拟的WNP的TC盛季(7~10月)TCGF的(a) 年际变化(虚线表示长期趋势)、(b) 空间分布和(c) 空间比例分布(等值线表示历史试验的气候平均态，填色图表示未来的变化，打点表示通过95%显著性检验)

图1(a)展示了MRI-AGCM3-2-H大气试验模拟的WNP的TC盛季(7~10月) TC频数的年际变化和空间分布。在历史试验(1950~2014年)中，7~10月的生成TC频数为13.7个/年，未来试验(2015~2099年)中的生成频数为10.3个/年，这样的减少趋势是显著的。受到整体生成总数影响，TCGF的空间分布整体表现为一致减少的趋势(图1(b))。为了排除整体数量减少对TCGF空间分布的影响，更好的反映TC生成位置在未来空间上的变化，将基于4˚ × 4˚网格统计的每年TC生成频数的空间数量分布转化为TC生成频数的空间百分比分布，即TCGF的空间比例分布，结果如图1(c)所示。从空间分布概率上看，南海和WNP东部生成TC的比例减少，WNP西部生成TC的比例增加。综上所述，TC频数在未来显著减少，尤其在WNP东部海域，在TC频数和发生概率均表现出显著减少的变化特征。根据TCGF的气候态空间分布，确定模式中TC主要生成区的范围(8˚~25˚N, 110˚~170˚E)。

3.2. 未来TC频数减少的原因

对DGPI指数进行环境因子的变化贡献诊断，探究TCGF减少的环境因素来源，各项变化贡献的柱状图和环境因子空间变化如图2所示。未来试验中WNP的TC主要生成区的DGPI显著降低，贡献最大的环境因子为500 hPa垂直速度，即垂直速度减小，不利于对流活动的发生。500 hPa垂直速度场除了反映TC生成相关的动力环境，还能一定程度上反映相对湿度即热力因素的变化。研究表明，相对湿度与垂直速度高度相关，这种高度相关反映了两者之间的物理联系，500 hPa上升相关的水汽辐合过程倾向于提高600 hPa的相对湿度[12]。因此，未来500 hPa垂直速度的减弱，也对应对流层中层相对湿度的降低，在热力因素上对TC的生成和发展产生不利影响。同样为DGPI的降低提供贡献的还有850 hPa绝对涡度，显示出大范围的减弱的趋势，表明大气水平运动减弱，这不利于涡旋结构的形成，阻碍了TC的生成和发展。唯一对DGPI的变化提供了正贡献的是垂直风切变项，这种趋势有助于维持TC结构。垂直风切变的减弱促进了热带扰动的增强和发展成TC的能力，因此在相应区域对DGPI指数提供了正向贡献。但结合垂直速度在未来显著减弱的变化表明，垂直风切变在热带WNP的减弱是由于垂直速度的减弱引起的，这意味着大气深对流活动减弱，不利于TC的生成。另外，在WNP东部，垂直风切变增强，这进一步抑制了TC在该区域的生成，因此WNP东部的TC生成概率有更显著的减少趋势。

Figure 2. Spatial distribution of (a) DGPI changes and (b) Contributions of various factors in the main TC generation region, (c) 200~850 hPa vertical wind shear, (d) Zonal gradient of meridional wind at 500 hPa, (e) 500 hPa vertical velocity, (f) 850 hPa absolute vorticity in the high resSST-future experiment of the MRI-AGCM3-2-H.

图2. MRI-AGCM3-2-H模式未来试验中(a) DGPI变化、(b) TC主要生成区的各项贡献，(c) 200~850 hPa垂直风切变、(d) 500 hPa纬向风的经向梯度、(e) 500 hPa垂直速度和(f) 850 hPa绝对涡度变化的空间分布

4. 未来西北太平洋STY频数的长期趋势及原因

4.1. 未来STY频数的长期趋势

如图3(a)所示，关注STY未来的年际变化趋势，与TC生成频数一致表现出了STY个数的减少，历史试验中7~10月STY平均生成频数为4.0个/年，未来试验中减少为2.5个/年，STY生成频数的减少趋势也通过了99%显著性水平的检验。普通TC与STY出现强度上的差异主要与两个阶段有关，一方面是TC的生成阶段，由图3(b)可知STY的生成范围主要位于WNP东部，这是因为生成位置偏东的TC更容易发展为STY，其在移动过程中在温暖洋面上的发展时间更长，有更充足的发展增强条件。另外一方面受到发展至最大强度的加强阶段的影响，因此统计出模式中STY从生成至发展到最大强度的路径点的空间分布，确定STY主要发展区域为(8˚N~28˚N, 110˚E~165˚E)，以便对加强阶段的环境变化进行进一步分析，如图3(b)所示。黑色矩形标识的区域为STY主要发展区，受到STY频数减少的影响，STY发展过程的路径点密度大范围显著减少。

Figure 3. (a) Interannual variability of STY and (b) Spatial distribution of STY development region in the peak season (July-October) of the WNP simulated by the MRI-AGCM3-2-H model (Dashed lines indicate long-term trends in (a), contour lines represent the climatological mean of high resSST-present experiments, shading indicates changes, and dots indicate significance at the 95% confidence level in (b)).

图3. MRI-AGCM3-2-H模式中模拟的WNP的TC盛季(7~10月) (a) STY的年际变化(虚线表示长期趋势)，(b) STY发展区(等值线表示历史试验的气候平均态，填色图表示未来的变化，打点表示通过95%显著性检验)

4.2. 未来STY频数减少的原因

TC生成位置是影响TC强度的关键因素之一，TCGF在WNP东部显著减少，原因是垂直风切变在WNP的东部显著加强，使该区域的生成条件趋向于不利，WNP东部生成TC的比例降低。而STY生成的集中区域位于东部，且有研究表明TC强度对垂直风切变变化的响应是显著的[15]。因此，从生成位置分析，垂直风切变在WNP东部的显著加强对STY的生成也有不利影响。

另一方面，为了针对TC的强化阶段进行分析，引用通风指数对强化阶段的环境因素进行定量描述，探究未来STY生成频数减少的原因。MRI-AGCM3-2-H模式历史试验中通风指数的空间分布和长期趋势如图4所示，其平均态分布表现为由南到北通风指数的增大，低值区域为WNP的东南部，向西北方向逐渐增加。这样的分布说明WNP东南部生成的TC有更有利的发展条件。研究表明，除少数情况外，TC的加强过程中通风指数的上限近似为0.1，更高的通风指数往往伴随着TC的衰减过程[13]。在未来试验中，WNP东南部的通风指数显著增大，这也是STY生成显著减少的区域。因此，STY频数的减少与通风指数的增加有关。进一步对STY发展区内通风指数的各项变化趋势进行分析，探究STY频数减少的环境因素来源。

Figure 4. (a) Climatological distribution and (b) The long-term trend of the ventilation index in the peak season (July-October) of the WNP simulated by the MRI-AGCM3-2-H model and (Contour range indicates significance at the 90% level)

图4. MRI-AGCM3-2-H模式中模拟的WNP的TC盛季(7~10月) (a) 历史试验的通风指数气候态分布和(b) 通风指数的长期趋势(等值线范围表示通过90%显著性检验)

除垂直风切变空间上的变化有东西差异，热力学参数和最大潜在强度均在STY发展区表现出一致的变化，因此对STY发展区的通风指数和环境因子进行区域平均，对其在未来的变化趋势进行分析，如图5所示，通风指数呈现显著增加的趋势。热力学参数表现为显著增加的变化趋势，即便垂直风切变减弱，但由于向内核区输送的为更加低熵的空气，这个过程仍然加强了通风指数，对TC强化产生了不利影响。最大潜在强度响应全球变暖的变化，在STY发展区显著增加，增大的表面通量可以通过抵消低熵空气的侵入来缓冲通风的衰减影响。但三者变化趋势综合表明，尽管最大潜在强度的显著增加有利于为TC强化提供能量，但受限于热力学参数更大程度的增加，通风指数整体仍然呈现显著增加的趋势。因此，TC的加强过程在未来受到抑制，从而引起STY生成频数的显著减少。

Figure 5. Long-term trends of (a) Ventilation index, (b) 200~850 hPa vertical wind Shear, (c) Thermodynamic parameters, and (d) Maximum potential intensity within the STY development region in the peak season (July-October) of the WNP simulated by the MRI-AGCM3-2-H model

图5. MRI-AGCM3-2-H模式中模拟的WNP的TC盛季(7~10月)在STY发展区内(a) 通风指数，(b) 200 ~ 850 hPa垂直风切变，(c) 热力学参数和(d) 最大潜在强度的长期趋势

5. 未来影响TC生成和发展的环流系统变化

WNP区域TC生成和发展条件的变化仍然是受大尺度环流条件的变化的控制。图6展示了MRI-AGCM3-2-H模式历史试验和未来试验中850 hPa相对涡度和季风槽的气候态分布及两个试验的差异。未来试验中，低层相对涡度的空间位置分布无明显变化，但范围收缩，强度整体减弱，在WNP区域出现反气旋异常环流场，对TC的生成和发展有不利影响，进而引起TCGF在未来大范围显著减少的变化。季风槽的南北位置没有发生改变，但其长度变短，强度减弱，槽线东伸脊点由153˚E西退至148˚E。这一变化意味着WNP上沃克环流的上升支位置出现了向西偏移的现象，这与垂直风切变在未来的变化一致。在历史试验中，季风槽的东部脊点位于153˚E，由于季风槽的西退，伴随着对流中心向西移动，使WNP西部的垂直风切变减弱，而153˚E以东的区域远离对流中心，低层的东风异常加强，对应WNP东部区域出现垂直风切变的显著增强。为了更直观的呈现季风槽强度随时间的变化，定义季风槽强度指数为850 hPa上(5˚N~25˚N, 105˚E~160˚E)范围内各格点相对涡度的区域平均值[16]，季风槽强度指数和TC生成频数及二者的相关关系如图6(d)所示。自1950~2014年，季风槽强度指数的变化是显著降低的趋势，体现了季风槽在未来持续减弱的趋势。模式中，季风槽强度与TC生成频数具有良好的相关关系，且这种相关关系在未来会加强。

Figure 6. Climatological state of 850 hPa relative vorticity and wind field in the months of July to October for (a) High resSST-present experiments and (b) High resSST-future experiments in the MRI-AGCM3-2-H, (c) The spatial distribution of changes in high resSST-future experiments and (d) Long-term variation trend of monsoon trough intensity index and TCGF (Red line indicates the position of the monsoon trough in high resSST-present experiments, blue line indicates the position of the monsoon trough in high resSST-future experiments)

图6. MRI-AGCM3-2-H模式对7~10月中(a) 历史试验和(b) 未来试验中850 hPa相对涡度和风场的气候态、(c) 未来试验变化的空间分布和(d) 季风槽强度指数与TCGF的长期变化趋势(红线表示历史试验中季风槽的位置，蓝线表示未来试验中季风槽的位置)

另一方面需要关注的是副热带高压在未来的变化。由于副热带高压范围内由大范围的下沉运动掌控，因此其强度和位置会对TC的生成和发展产生重要影响[7]。在全球变暖的影响下，位势高度会随之产生增大的趋势。CMIP6模式数据中未来强副热带高压事件的发生频率增加了73% [17]。MRI-AGCM3-2-H模式中历史和未来试验副热带高压的气候态分布及变化如图7所示，未来也显示出副热带高压的强度显著加强的现象。在历史试验中，500 hPa位势高度的588线的西伸脊点位于138˚E，而在未来实验中，588线已经覆盖至大陆上，500 hPa位势高度整体升高。从未来和历史的差值场上看，WNP东部位势高度的升高幅度大于西部地区。这样大范围的副热带高压掌控强度和范围的增强对TC生成产生了巨大的阻碍作用，使得TC的生成频数呈现显著减少的趋势。

季风槽的减弱和副热带高压的加强共同指向的变化趋势是大气稳定度的增加，这一推论与垂直速度显著减弱的趋势相匹配。为了验证未来试验中大气稳定度的变化，将未来与历史试验中7~10月对流层温度的气候态的变化进行比较，如图8所示，可知未来试验中对流层高层的增温幅度大于低层，对流层高层和低层的温度差增大，温度垂直递减率减弱，大气稳定度提高，这是引起垂直速度减弱的重要原因。

Figure 7. Spatial distribution of 500 hPa geopotential height in July-October for (a) High resSST-present experiment and (b) High resSST-future experiment of the MRI-AGCM3-2-H, and (c) Its change in the high resSST-future experiment

图7. MRI-AGCM3-2-H模式7~10月中(a) 历史试验和(b) 未来试验中500 hPa位势高度和(c) 未来试验变化的空间分布

Figure 8. Changes in the tropospheric temperature in the months of July to October in the MRI-AGCM3-2-H model: (a) Meridional vertical profile and (b) Zonal vertical profile for high resSST-future experiments compared to high resSST-present experiments

图8. MRI-AGCM3-2-H模式中7~10月未来试验与历史试验对流层温度(a) 纬向垂直剖面和(b) 经向垂直剖面的变化

综上所述，在全球变暖的排放背景下，与TC生成相关的季风槽和副热带高压的大气环流系统向不利于对流活动的方向发展，受其影响的环境场也随之产生相应变化，对流层高层的增温比低层的幅度更大，因此产生了不利于对流活动的动力环境，进而限制了TC的发展和强化。季风槽的减弱和副热带高压的加强对应于500 hPa垂直速度减弱，季风槽线变短，沃克环流的对流中心向西偏移，引起了WNP东南部的垂直风切变的增加，导致TC和STY在WNP东部生成的可能性显著降低。

6. 主要结论

在本文中，对MRI-AGCM3-2-H模式历史和未来试验模拟的TC和STY进行比较，探究该模式中未来TC和STY的年际变化趋势。利用DGPI指数和通风指数对TC和STY的显著减少进行诊断分析，以揭示动力和热力过程在未来的变化对TC生成和强化过程的影响，并关注与之相关的大气环流系统的变化趋势，主要结论如下：

(1) 未来试验中TC的年际变化呈现出显著减少的趋势，尤其WNP东部TC的生成概率显著减少。使用DGPI指数对TC生成的关键动力因子进行诊断分析，发现在TC主要生成区，850 hPa绝对涡度、500 hPa垂直速度和500 hPa纬向风的经向梯度均提供了负贡献，即未来变暖情境下，大气的动力环境不利于对流活动，进而抑制TC生成。

(2) 未来试验中STY的长期趋势也是显著减少的。STY生成频数的变化受到生成位置和强化过程两个阶段的影响，一方面，TC生成位置在WNP东部的显著减少使可发展成为STY的可能减小，另一方面，通风指数在STY发展区的显著增加使TC难以加强。而通风指数的显著增强主要是由热力学参数的显著增强引起的，尽管表面通量提供了更强的能量，但难以抵消低熵空气入侵TC内核的衰减效应，导致未来的热力和动力条件削弱TC的加强过程，从而引起STY生成频数的显著减少。

(3) 在SSP585的排放背景下，与TC生成相关的季风槽和副热带高压的大气环流系统向不利于对流活动的方向发展，受其影响的环境场也随之产生相应变化，对流层高层的增温比低层的幅度更大，大气稳定度加强，因此产生了不利于对流活动的动力环境，进而限制了TC的发展和强化。

基金项目

本研究受到国家自然科学基金(41975061)的资助。